Hace tres años, propuse desarrollar una nave espacial para lanzarla a la Luna y fotografiar los lugares de aterrizaje del Apollo y Lunokhod con la calidad suficiente para distinguir las huellas dejadas allí hace medio siglo. Un grupo de ingenieros entusiastas se ofreció como voluntario para participar en el proyecto y asumió esta tarea. La primera etapa de desarrollo, la
descripción técnica del satélite (proyecto avanzado), tomó tres años y aún no se ha completado.
Para completar la primera etapa, anuncié una recaudación de fondos en el sitio
boomstarter.ru . Nos apoyaron mil quinientas personas, y el monto total recaudado ascendió a 1 millón 750 mil rublos. Todo el trabajo en el proyecto es voluntario, parte del dinero recaudado se destinó a la compra de equipos y componentes para el desarrollo de prototipos de un sistema de comunicación por radio y comunicación por láser. Dejamos de lado la mayor parte del monto a pagar por el examen estatal del proyecto preparado en el Instituto de Roscosmos. Si quedan fondos después del examen, los compartiremos entre los participantes en el desarrollo, en proporción a la contribución a la causa común, es decir, al texto del documento final.
Aquí hay respuestas a algunas
preguntas comunes sobre el proyecto.
La tarea del equipo no era solo preparar una descripción técnica del proyecto, sino también hacerlo de acuerdo con los requisitos de documentación de la industria espacial rusa. La preparación de un proyecto tan avanzado para una pequeña nave espacial costaría alrededor de un millón de rublos, y las organizaciones relevantes lo hubiéramos hecho en un par de meses, pero no solo nos gustaría dar dinero a alguna oficina de diseño, obtener el documento deseado y ponerlo en el estante. El objetivo era formar un grupo de especialistas capaces de hacer un proyecto avanzado, recolectar un satélite e implementar todo el programa de vuelo.
En realidad, esta es en parte la razón del retraso. No todos los entusiastas estaban listos para trabajar en equipo, no todos pudieron poner los resultados de su trabajo en un documento de ingeniería serio, y no todos pudieron combinar el voluntariado con la familia / escuela / trabajo. Veo la culpa principal de los retrasos en mí mismo: no mostré la exigencia y la perseverancia requeridas, me inspiró poco el ejemplo personal.
Hoy, el trabajo de trabajo en equipo continúa y el documento se está preparando lenta pero seguramente. Me gustaría señalar que el incumplimiento de los plazos en la industria espacial es un fenómeno común.
Puede hablar sobre esto con más detalle utilizando nuestro propio ejemplo.
¿Cuáles son las dificultades de crear naves espaciales? ¿Por qué no puedes simplemente "comprar y armar un constructor"? ¿Por qué casi todos los proyectos espaciales relacionados con el desarrollo de nuevas tecnologías no cumplen con los plazos establecidos? Después de todo, todas las naves espaciales tienen aproximadamente un conjunto de sistemas a bordo, y el espacio parecería ser el mismo en todas partes: vacío, radiación, luz solar ... Parece extraño que en la astronáutica, no todo esté unificado como las computadoras personales, de modo que pueda hacerlo independientemente en casa o en Garaje para armar tu propio satélite. Pero en realidad, casi todas las naves espaciales son trabajos manuales, cables en espiral y cinta adhesiva, un enfoque creativo y, a menudo, software auto-escrito.
Solo algunos proyectos multisatélites han alcanzado el nivel de preproducción: GPS, GLONASS, satélites de telecomunicaciones geoestacionarios y algunos otros proyectos.
Los nanosatelites en formato CubeSat están más o menos unificados debido a su bajo costo, dimensiones estándar y popularidad entre institutos y empresas privadas.
¿Por qué los satélites son diferentes en todas partes?En comparación con las computadoras personales, la
primera diferencia de la astronáutica es el tamaño de la serie. Todas las naves espaciales operativas en órbitas cercanas a la Tierra son alrededor de mil quinientos. Hay tantas computadoras en un vecindario urbano.
La segunda diferencia es la diferencia en las condiciones físicas en diferentes órbitas. En órbita terrestre baja, aproximadamente el 40-45% del tiempo, los satélites están a la sombra de la Tierra. Esto significa que pueden eliminar fácilmente el exceso de calor acumulado del sol y de los sistemas de calefacción a bordo. El dispositivo en órbita geoestacionaria o vuelo interplanetario está encendido casi el 100% del tiempo, y la pérdida de calor es un gran problema: esto complica el sistema para proporcionar condiciones térmicas, aumenta el tamaño de los radiadores y la masa. Por lo tanto, no puedes simplemente tomar el diseño del satélite cercano a la Tierra y lanzarlo a la luna.
Con el satélite lunar, las dificultades térmicas se duplican: primero tienes que volar bajo la luz solar constante y luego girar alrededor de la luna, disminuyendo gradualmente. Cuanto más bajo, más larga es el área de sombra. Y aún no hemos alcanzado los cálculos térmicos, mientras que solo estamos completando la descripción del diseño básico y la composición de los dispositivos.En órbita terrestre baja, los satélites pueden usar un campo magnético para orientarse: cambios de posición en el espacio en relación con el centro de masa (en otras palabras, un satélite puede elegir dónde "buscarlo" o girar con paneles solares, utilizando la misma fuerza para rotar que desvía la aguja de la brújula). Es decir, los satélites cercanos a la Tierra en órbita baja no necesitan motores de combustible y cohetes, suficientes paneles solares para alimentar motores de volante y bobinas magnéticas para funcionar de manera eficiente y ser beneficiosos. Cuando el campo magnético se debilita o está completamente ausente, el dispositivo necesita motores de cohetes para hacer giros. Si solo toma un satélite cercano a la Tierra y se lanza a la luna, se convertirá en un chirrido inútil y solo podrá enviar en todas las direcciones el interminable "bip-bip-bip", que se perderá rápidamente en el ruido de radio del espacio. En el mejor de los casos, puede girarse a lo largo de un eje y usarse para la misión de vuelo, sin entrar en órbita.
El factor de radiación cósmica también es importante: en órbita baja, los satélites están significativamente protegidos de los efectos de las partículas cósmicas por el hemisferio, el campo magnético y la atmósfera superior de la Tierra. Sin embargo, como muestra la práctica, la electrónica terrestre moderna para fines industriales
puede funcionar hasta un año en el espacio interplanetario.
La tercera diferencia entre los dispositivos es la necesidad de cambiar la órbita. Como regla general, los pequeños satélites cercanos a la Tierra no necesitan cambiar la órbita de donde fueron lanzados. En casos extremos, puede utilizar técnicas aerodinámicas, según lo decidido
originalmente por Planet. Para los satélites en órbitas altas, la corrección de la órbita ya es necesaria debido a la duración del vuelo y a factores perturbadores que comienzan a acumularse con el tiempo: la presión de la luz solar, la gravedad del Sol, la Luna, Júpiter y Venus. La corrección de la órbita es un pequeño cambio en la órbita al aumentar o disminuir la velocidad de vuelo.
Al iniciar el dispositivo, volaráEl diseño del vehículo interplanetario depende en gran medida de las capacidades de lanzamiento en el lanzamiento. Si hay una unidad de aceleración suficientemente precisa capaz de establecer inmediatamente la trayectoria deseada y la segunda velocidad espacial para la sonda interplanetaria, esto ahorra significativamente la masa de combustible en el dispositivo. Si no hay un bloque de refuerzo adecuado o no hay suficiente capacidad de transporte de cohetes, debe verter más en el dispositivo. Pero incluso si el acelerador ayudó, el objetivo nuevamente tendrá que extinguir significativamente la velocidad interplanetaria. En el caso de un vuelo a la luna, se requiere que caigan aproximadamente 850 m / s para entrar en órbita. Imagine un cohete capaz de acelerar 100 kg de carga a la velocidad del avión a reacción más rápido: no hay suficiente extintor de incendios como en las películas.
Al diseñar el microsatélite lunar, consideramos dos opciones de lanzamiento: lanzamiento asociado en órbita geoestacionaria y lanzamiento en órbita de transición lunar.
La geoestacionaria es una órbita popular con fines comerciales, donde vuelan de 15 a 20 misiles cada año. Es decir, una gran selección y muchas oportunidades para pasar el vuelo. Pero esto es solo 36 mil km, y necesitas volar diez veces más a la luna.
La órbita de transición lunar es un lanzamiento hacia la luna a casi la segunda velocidad cósmica. Tales lanzamientos ocurren aproximadamente una vez al año. China, India, Japón, Rusia, Corea del Sur lanzan o están a punto de lanzar la Luna en la luna, y hay alguna posibilidad de saltar sobre la cola de alguien. Sin embargo, los lanzamientos científicos complejos se posponen constantemente, por lo que puede ponerse de acuerdo en un vuelo conjunto, hacer un satélite y esperar varios años para la preparación de la carga principal. La opción ideal es la entrega de nuestro dispositivo inmediatamente a la órbita lunar; no lo consideramos, debido a la baja probabilidad de encontrar un "viaje" adecuado.
Dos opciones de lanzamiento requieren dos sistemas de propulsión diferentes, con diferentes reservas de combustible. La masa inicial de las dos versiones de los dispositivos era el doble de diferente, y la versión "geoestacionaria" salió a casi 200 kg, esto ya no es un microsatélite. Los motores se consideraron hidrazina de dos componentes (tetraóxido de hidrazina / nitrógeno), como el producto químico más eficaz para su uso en el espacio. Ion, los motores de plasma no se consideraron debido al alto costo, las grandes dimensiones de las células solares y las dificultades con el control y la navegación.
El resultado fue un aparato bastante complejo, bastante comparable a lo que podría nacer en la oficina de diseño de las empresas estatales.
Las diferencias en las órbitas dan lugar a otra diferencia: en los medios de transmisión de información. A pesar de los repetidos experimentos con comunicaciones láser en el espacio, la comunicación por radio sigue siendo el método principal para transmitir información en el espacio. Cuanto más cerca esté el dispositivo de la Tierra, más pequeño será su complejo de radio, su consumo de energía y el tamaño de la antena. Por lo tanto, el pequeño CubeSat cercano a la Tierra puede transmitir telemetría e incluso imágenes de forma segura a radioaficionados en la Tierra, teniendo un área muy pequeña de paneles solares y una antena omnidireccional desde la ruleta de Joiner.
Si queremos trabajar cerca de la Luna y transmitir grandes cantidades de datos, tendremos que cuidar una placa de antena puntiaguda con un diámetro de al menos medio metro y paneles solares con un área de aproximadamente un metro. La recepción en la Tierra ya no se puede proporcionar al cable desde la hoja de la ventana: se necesitarán estaciones serias con antenas con un diámetro de varios metros, y preferiblemente varias decenas de metros. Solo hay unas pocas estaciones de este tipo en Rusia, docenas en el mundo, y todas ellas están ocupadas con su trabajo. Es muy poco probable que se nos asignen antenas de 64 o 32 metros.
Al menos no puedes confiar en esto. Puede ahorrar en medios terrestres aumentando el diámetro de la antena en el dispositivo. Pero cada 10 cm del diámetro de la antena o la magnitud de las baterías solares del satélite afectan significativamente sus características de inercia de masa, requieren más combustible y consumo de energía para los sistemas de orientación. Las necesidades de energía aumentan los paneles solares, la masa de las baterías, lo que conduce a un aumento en la masa y el crecimiento de los tanques de combustible, y así hasta el infinito ... Por lo tanto, el desarrollo de la tecnología espacial es un compromiso eterno.
Para ahorrar peso, limitamos el diámetro de la antena a 40 centímetros, con la esperanza de que en el momento del lanzamiento en la Tierra encontremos una antena receptora de 12 metros o incluso más grande. Y tres mejores, en diferentes continentes. Si no lo encontramos, tendremos que transmitir datos a una velocidad muy baja: decenas de kilobits por segundo, pero la recepción estará disponible para radioaficionado.Orientación correctaLa orientación en el espacio es el siguiente problema. La Tierra puede usar un campo magnético, aerodinámica u otras técnicas. Los motores de cohete permanecen en el espacio interplanetario, pero existe otra herramienta que proporciona una orientación de alta precisión y le permite controlar de manera efectiva la posición del dispositivo en relación con su centro de masa: motores de volante. Estos son motores eléctricos con ruedas masivas que, mientras giran, contribuyen a girar el dispositivo en la dirección opuesta. Para la orientación en tres ejes, se necesitan tres motores de volante, pero generalmente ponen cuatro, uno para la reserva.
Los motores de volante solo necesitan electricidad para funcionar, pero solo actúan cuando ganan velocidad o cuando se apagan. En algún momento, el volante gana velocidad máxima y se vuelve inútil, luego debe ser "descargado", frenado para que el dispositivo no pierda su orientación en el espacio. Luego, para la descarga, también se utilizan motores de cohete, y estos deben ser motores con un empuje muy bajo para no causar una fuerte rotación del dispositivo. A veces, los motores de cohetes del sistema de orientación son de gas: en el gas comprimido ordinario, como el mismo extintor de incendios de la película, hay otros diseños: cohete termocatalítico o eléctrico (plasma, iones).
Nuestro diseñador permanente del microsatélite lunar Peter Kudryashov se propuso minimizar la masa del dispositivo. Para este propósito, en la última iteración del proyecto, decidieron abandonar el vuelo desde la órbita geoestacionaria, centrándose solo en la unión lunar. Otra solución fue la sustitución de motores. El sistema de propulsión de marcha de dos componentes tiene alta potencia y no es adecuado para descargar volantes, por lo que el satélite necesitaba un segundo sistema de propulsión para la orientación. Esto complicó y agravó el proyecto. Peter encontró una solución alternativa: poner motores termocatalíticos monocomponentes de empuje medio. Cuatro motores proporcionan un empuje adecuado para cambiar la velocidad orbital, y espaciarlos a los lados le permite orientar el dispositivo por cabeceo y guiñada , la rotación del rodillo está controlada por dos motores adicionales de bajo empuje. Esta decisión parece ser un compromiso, pero también hay desventajas que aún deben eludirse.Surgieron dificultades al tratar de conciliar motores de cohetes y motores de volante. Los volantes seleccionados, que funcionan bien en vehículos cercanos a la Tierra de nuestra escala, eran demasiado débiles para compensar la velocidad de rotación establecida por los motores de cohetes en nuestro circuito.
El impulso de rotación de un motor de cohete en cabeceo y guiñada se puede reducir moviendo el motor más cerca del centro, pero luego se intensifica otro problema. Reducción de apalancamiento, es decir La diferencia entre el eje del motor y el eje central del aparato conducirá al hecho de que cada operación de descarga de los motores del volante provocará algún cambio en la órbita del satélite, y el cambio cambiará, porque El empuje del motor del cohete es inestable y depende de la presión en el tanque de refuerzo.El factor principal que afecta el diseño de la nave espacial, sus dimensiones, la potencia del motor y el tamaño de los paneles solares es la carga útil. Es decir dispositivos en aras de la información desde la que se lleva a cabo todo el lanzamiento. En nuestro caso, este es un telescopio y un fotosistema para fotografiar la superficie de la luna. Con él, también, ha habido cambios que han afectado el diseño del dispositivo, pero este es un tema para otra discusión. En general, los cambios son positivos: el telescopio se redujo, pero el cambio condujo a una revisión significativa del diseño, que nuevamente tomó tiempo.
Sobre las características de disparar a la luna, todavía vale la pena hablar por separado.
Espero que pronto se complete el diseño preliminar del microsatélite lunar, y podamos compartir los resultados generalizados del trabajo de tres años o más.